KR20190120691A - 대전 입자 소스로부터의 입자 빔의 강도를 변조시키기 위한 디바이스 - Google Patents

대전 입자 소스로부터의 입자 빔의 강도를 변조시키기 위한 디바이스 Download PDF

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Abstract

축(A0)을 따라 방출되는 대전 입자 빔의 강도를 변조시키기 위한 디바이스는: 4 x N개의 연속적 편향 시스템(21, 22, 23, 24) - N = 1 또는 2이고, 편향 시스템들(21, 22, 23, 24)은 입자 빔의 축(A0)을 따라 위치됨 -; 각각의 편향 시스템(21, 22, 23, 24) 에 대해, 빔을 편향시키기 위한 힘을 인가하고 인가된 힘을 변경시키기 위한 수단; 각각이 중심으로부터 둘레 쪽으로 폭이 증가하는 개구를 가지는 슬롯(61, 62)을 갖고, 제1 편향 시스템과 제2 편향 시스템 사이에 그리고 제3 편향 시스템과 제4 편향 시스템 사이에 각자 위치되는 2개의 시준기(41, 42)를 포함하며, 시준기(41)의 슬롯들(61, 62)의 개구들은 빔의 방출 축(A0)의 반대 측들 쪽을 향한다.

Description

대전 입자 소스로부터의 입자 빔의 강도를 변조시키기 위한 디바이스
발명은 1eV/전하 내지 수 1012eV/q의 에너지 범위 내에서 대전 입자 빔들을 생성하는 기기의 기술 분야에 관한 것이다.
이러한 타입들의 기기들은 가속된 입자들의 전하, 질량 및 운동 에너지에 따라, 많은 분야에서 응용예들을 가진다:
- 입자 가속기들의 장비
- 이온 주입(표면 처리 등...)
- 의료 분야(하드론 치료, 방사성 동위원소 생산, 나노약물(nanodrug)...)
- 진공 증착
- 마이크로-에칭
- 우주선용 이온 추진
- 샘플 분석을 위한 가속 질량 분광계
- 연대결정(dating).
본 발명은 더 구체적으로는 타겟 샘플에 대한 대전 입자 빔의 영향을 변조시키고 동일한 기기의 가능한 사용들을 변형시킬 수 있도록 하기 위해 생성되는 대전 입자 빔의 강도(또는 입자들의 전류 또는 흐름)의 변조에 관한 것이다.
현재, 대전 입자 빔들은 상이한 방식들로, 구체적으로는:
- 대전 입자 소스의 강도를 변경시킴으로써
- 제거가능한 기계적 부분들(예를 들어, 슬롯 시스템, 홍채)을 사용하여 빔을 시준함으로써
- 다양한 듀티 사이클들을 가지는 빔을 펄스화시킴으로써
전류 변조될 수 있다.
그러나, 위에서 언급된 다양한 기법들은 많은 기술적 문제점들을 발생시킨다:
* 예를 들어, 펄스화된 빔들은 대전 입자 빔들의 모든 응용예들에서 사용될 수 없다,
* 대전 입자 소스의 강도의 설정 및 기계적으로 제거가능한 시준기들의 사용은 일부 응용예들에 의해 요구되는 반응성 제약들을 만족하지 않는다.
문서 제US 8,896,238호의 예에서, 사이클로트론 타입의 특정 가속기 내에서 곡선 이온 빔을 생성하는 이온 소스로부터의 빔의 전류가 변조될 수 있다. 빔의 강도는 그 진폭이 레귤레이터에 의해 변조될 수 있는 교류 고전압을 Dee 전극에 인가하는 고주파수 생성기에 접속되는 Dee 전극을 사용하여 변조된다. 이온들은 갭을 통해 Dee 전극과 접지에 접속된 반대-전극 사이에서 가속되고, Dee 전극으로의 상이한 진폭들의 전압들의 인가로 인해, 상이한 반경들을 가지는 원형 경로들을 정의한다. 반대-전극으로부터 이격된 솔리드 스크린은 후자를 이용하여 임계 값을 초과하는 곡률의 궤적을 따르는 이온들의 경로에 대한 공간을 정의하고, 그 곡률이 동일한 임계 값 미만인 이온들에 대한 장애물을 정의한다. 스크린의 존재와 결합된, 이온들의 다양한 궤적들을 수정하는 Dee 전극에 인가되는 전압의 진폭을 변조하는 것은, 이온들의 개수 및 따라서 소스에 의해 최종으로 방출되는 전류를 변조시킬 수 있게 한다.
그러나, 이 디바이스는 사이클로트론의 소스에 의해 방출되는 곡선 궤적들을 가지는 대전 입자들에 대해 특정적이며 선형 대전 입자 빔을 방출하는 디바이스에 적용될 수 없다.
문서 제US 3,286,123호는 선형 입자 빔을 방출하는 장치에 관한 것이다. 이 장치에서, 천공된 전극, 편향 시스템 및 그 방출 축을 따라 분포되는 다수의 렌즈의 효과와 편향기의 존재 하에서, 대전 입자 빔은 렌즈들의 위치 및 초점 거리에 의존하는 다양한 프로파일들에 따라 그 원래 경로로부터 편향되고, 일부는 입자들의 방출 축에 직교로 배치되는 콜렉터에 의해 수집될 수 있다. 그러나, 이 디바이스의 응용예들은 본 발명이 목표로 하는 응용예들과는 호환가능하지 않는데, 왜냐하면 대전 입자 빔은 그 원래 축으로부터 명백하게 편향되고 주어진 고정 위치에서 복원가능하지 않기 때문이다.
선형 대전 입자 빔들을 생성하고 변조 수단들이 제공되는 다른 디바이스들이 알려져 있지만, 이 변조는 입자들의 전류(양)에 대해서가 아니라 빔의 에너지에 대해 수행된다:
- 문서 제EP 2592642호는 쌍극자, 4중극자 및 6중극자 여기들의 자리일 수 있는 일련의 8중극자 엘리먼트들(302, 304, 306, 308)을 포함하는 대전 입자 빔을 방출하는 디바이스에 관한 것으로, 처음 2개 엘리먼트는 빔의 높이 및 에너지에서의 분산을 가능하게 하고, 2개의 코어 엘리먼트는 주어진 에너지를 가지는 입자들의 일부분을 통과시키고 다른 것들을 차단하는 슬롯-형상의 오리피스(slot-shaped orifice)가 제공되는 시준기에 의해 분리된다. 따라서, 이 디바이스는 대전 입자 빔의 에너지를 변조할 수 있지만, 실질적으로 동일하게 유지되는 출구 빔의 강도를 변조시킬 수는 없다.
- 또한, 문서 제US 8039822호는 대전 입자 빔을 생성하기 위한 가속계를 포함하며, 흡수 엘리먼트 및 제어 유닛을 포함하는 수동 에너지 변조기를 가지는, 대전 입자 치료 장치에 관한 것이다. 제어 유닛은 단계적 방식으로, 높은 에너지 레벨로부터 낮은 에너지 레벨로 대전 입자 빔의 에너지를 수정하기 위해, 가속기 내에 포함되는 에너지의 능동적 조정과 에너지 변조기에 의해 제공되는 수동 에너지의 변조 사이에서 스위칭하도록 적응된다. 특히, 이는 에너지 레벨들 사이에서 스위칭할 때 휴지기간(downtime)을 단축시키는 결과를 초래하지만, 여전히 출구 빔의 강도를 변조시킬 가능성은 초래하지 않는다.
문서 제US 9,224,569호는 다양한 구획(compartment)들 - 이들 각각에는 상이한 기체가 제공됨 - 을 포함하는 기체 챔버를 가지는 높은 밝기의 이온 소스를 개시한다. 편향 판들을 사용하여, 전자 빔이 구획들 중 하나를 선택적으로 통과하게 되어 샘플을 프로세싱하기 위한 특정 종류의 이온들을 제공한다. 또 다른 종류의 이온들을 가지는 샘플을 프로세싱하기 위해 상이한 종류의 기체를 포함하는 다른 구획들을 통과하도록 전자들을 지향시킴으로써 제공되는 이온들의 종들을 용이하게 변경하는 것이 가능하다. 생성되는 이온들의 속성이 신속하고 용이하게 변경되는 경우, 이온 종들의 수는 기체 챔버의 구획들의 수로 감소하며, 다양한 가능한 이온들의 가능한 상이한 빔 강도들 역시 챔버 내의 구획들의 수로 감소한다. 이 시스템은 공급되는 빔의 강도의 연속적인 변경을 허용하지 않는다.
따라서, 선형 가속기를 공급하는 소스에 의해 방출되는 대전 입자 빔의 강도를 연속적으로 변조시키기 위한 어떠한 만족스러운 해법도 아직 발견되지 않았다.
본 발명은 대전 입자 빔의 강도를 변조시키기 위한 디바이스를 제공함으로써 이 문제를 해결하는 것을 목표로 하며, 이 디바이스는:
- 4 x N개의 연속적 편향 시스템 - N = 1 또는 2이고, 편향 시스템들은 입자 빔의 축(A0)을 따라 위치되고, 동일한 방향으로 축(A0)에 대해 빔을 편향시킬 수 있고, 2개의 연속적 시스템들에 대해, 교번하는 편향 방향들을 가짐 -
- 각각의 편향 시스템(2)에 대해 빔을 편향시키기 위한 힘을 인가하고 인가된 힘을 변경시키기 위한 수단
- 중심으로부터 둘레 쪽으로 폭이 증가하는 개구를 갖는 슬롯을 가지고, 제1 편향 시스템과 제2 편향 시스템 사이에 그리고 제3 편향 시스템과 제4 편향 시스템 사이에 각자 위치되는 2개의 시준기
를 포함하며, 제1 시준기의 슬롯은 편향 축에 평행한 축을 따라 중심을 두고, 제2 시준기의 슬롯의 중심축은 상기 제1 슬롯과 반대 방향으로 배향되고, 제1 시준기(41)의 슬롯(61)의 개구는 빔의 방출 축(A0)의 일측 쪽을 향하고, 제2 시준기(41)의 슬롯(62)의 개구는 빔의 방출 축(A0)의 반대 측 쪽을 향하며
- 상기 편향 시스템은 처음 2개에 대해 증가하는 진폭 및 마지막 2개에 대해 감소하는 진폭을 가지는 전자기력을 상기 입자 빔에 인가한다.
본 발명에 따른 디바이스는 후속하는 특징들 중 하나 및/또는 다른 하나를 또한 가질 수 있다:
- 상기 편향 시스템들 각각은 전기 또는 자기 타입이고
- 편향 시스템들이 전기 타입일 때, 각각의 시스템은 전위를 갖게 되고 방출 축(A0)의 양측 상에 각자 배열되는 2개의 평행 판으로 구성되고,
- 편향 시스템들이 자기 타입일 때, 상기 편향 시스템 각각은 자기 쌍극자로 구성되고,
- 시준기의 슬롯은 시준기의 나머지 부분 쪽으로 돔을 이루는 직선 또는 곡선의 대향 에지들을 가지는 또는 이러한 에지들에 의해 정의되는 빈 공간 쪽으로 돔을 이루는 직선 또는 곡선의 대향 에지들을 가지는 일반적인 V-형상을 갖고,
- 각각의 시준기는 축을 따라 배치되어, 그것의 슬롯은 방출 축(A0)의 일측 상에 위치되는 반면 거리(d)만큼 그러한 축(A0)에 대해 오프셋되고,
- 또는 각각의 시준기는 축을 따라 배치되어, 그것의 슬롯은 방출 축(A0)과 일직선으로 위치되고,
- 디바이스가 8개의 편향 시스템을 포함할 때, 이들 시스템 중 4개는 제1 방향으로 방출된 빔을 편향시키도록 방출 축에 대해 배열되고, 이들 시스템 중 4개는 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 방출된 빔을 편향시키도록 방출 축에 대해 배열된다.
본 발명은 상기의 디바이스를 사용하여 축(A0)를 따라 방출되는 대전 입자 빔을 그 방출 축으로부터 편향시키기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은, 4N개의 연속적 편향 시스템에 대해:
- 제1 편향 시스템에 의해, 주어진 방향으로 그리고 제1 배향으로 빔을 편향시키기 위한 제1 힘,
- 제2 편향 시스템에 의해, 동일한 방향으로 그리고 제1 배향과 반대 배향으로의, 제1 편향력보다 더 큰 제2 편향력,
- 제3 빔 편향 시스템에 의해, 동일한 방향으로 그리고 편향의 제1 배향으로의, 빔을 편향시키기 위한 제2 힘,
- 제4 편향 시스템에 의해, 동일한 방향으로 그리고 제1 배향과 반대 배향으로의 제1 편향력
의 인가 단계를 포함한다.
이상적으로는, 편향 시스템들은 전기 타입이고, 각각은 축(A0)에 대해 평행하고 이러한 축(A0)의 양측 상에 배열되는 2개의 판을 포함하고, 동일한 시스템의 2개의 판에 인가되는 전위들은 대칭적이거나 비대칭적이다.
또 다른 가능한 실시예에 따르면, 각각의 편향 시스템은 축(A0)의 양측 상에 배열되는 2개의 판으로 구성되고, 상이한 편향 시스템들의 2개 이상의 판은 접지되고, 판들의 편향 시스템들의 빔들을 편향시키는 힘들은 상이하고, 정정 인자들(IBU)은 편향 시스템 상에 가해지는 각각의 편향력에 적용되고, 그 중 하나의 판은 빔의 출구 각을 정정하기 위해 접지에 접속된다.
또 다른 특징에 따르면, 추가적인 조정가능한 편향력들이 빔의 출구 각을 정정하기 위해 하나 이상의 편향 시스템(들)에 인가된다.
본 발명은 또한, 조정가능한 강도의 대전 입자 빔을 방출하기 위한 어셈블리에 관한 것으로, 이 어셈블리는 빔의 방출 축(A0)을 따라 연이어서:
- 방출 축(A0)을 중심으로 두고, 바람직하게는 ECR 타입의 대전 입자 빔의 방출 소스
- 추출 시스템
- 아인젤(Einzel) 타입의 렌즈
- 원형 중심 홀을 가지는 시준기
- 제1 시준기의 출구(outlet)에서 빔의 강도를 변조시키기 위한 디바이스
- 원형 중심 홀을 가지는 제2 시준기
- 제2 시준기의 출구에서 입자들을 속도-필터링하는 디바이스
를 포함한다.
본 발명의 다른 데이터, 특징들 및 장점들은 각자, 이하에 나타내는 첨부 도면들을 참조하여, 후속하는 제한적이지 않은 기재를 판독할 시에 명백할 것이다:
- 도 1은 발명에 따른 강도 변조 디바이스가 제공되는 조정가능한 강도를 가지는 대전 입자 빔을 방출하기 위한 어셈블리의 사시도를 도시한다.
- 도 2는 이러한 디바이스의 V-형상 슬롯 시준기들을 강조하는, 도 1의 변조 디바이스의 개략적 길이방향 단면도를 도시한다.
- 도 3은 다양한 인가 전압들에 대한 도 2와 유사한 4개 도면을 도시한다.
- 도 4는 편향 시스템들에 인가되는 전압(U2)에 따라, 입구(I0)에서의 빔 강도에 대한 변조 디바이스 출구에서의 입자들의 빔(I)의 강도에서의 전개(evolution)를 그래프로 예시한다.
- 도 5는 대칭적 전위들(5(a)) 및 비대칭적 전위들(5(b))로 인가되는 전위 라인들을 도시하는 도 2의 디바이스를 도시한다.
- 도 6은 대칭적 전위(도 6(a)) 및 비대칭적 전위(도 6(b))의 경우에서의 빔들의 방출을 예시하며, 타원은 특정 빔 라인의 수용에 대응하는 것을 도시하고, 전위 비대칭성을 사용하여(힘들을 대칭적으로 계속 유지하는 동안) 디바이스의 광학적 수차들을 정정하여 빔을 라인의 나머지와 호환가능하게 만들 수 있다는 사실을 강조한다.
도 2에 따르면, 본 발명은 입자 빔(1)의 강도를 변조시키기 위한 디바이스에 관한 것이다.
디바이스는 ECR 타입의 입자들의 소스, 추출 시스템, 아인젤(Einzel) 타입의 렌즈, 및 예시된 예에서는 직경이 20 mm인 원형 중심 오리피스를 갖는 시준기가 다운스트림에, 그리고 원형 중심 오리피스를 갖는 제2 시준기, 및 임의적인 입자 속도-필터가 업스트림에 배치되어, 이들은 다양한 응용예들에 사용된다.
입자 소스, 추출 시스템, 렌즈 및 제1 시준기의 어셈블리는 축(A0)을 따라 강도(I0)를 가지는 대전 입자 빔을 출력한다.
본 발명에 따른 대전 입자 빔의 강도를 변조시키기 위한 디바이스는:
- 4 x N개의 편향 시스템(2) - N = 1(또는 대안적인 실시예에 따르면 2, 미도시됨), 2개의 편향 시스템은 상기 입자 빔의 방출 축(A0)을 따라 위치됨 -
- 각각의 편향 시스템(2)에 대해 빔을 편향시키기 위한 힘을 인가하기 위한 수단(3)(이러한 수단 중 단 하나만 개략적으로 도시됨),
- 각각이 제1 편향 시스템과 제2 편향 시스템 사이에 그리고 제3 편향 시스템과 제4 편향 시스템 사이에 배치되는 V-형상 슬롯(41, 42)을 가지며, 각각에 그것의 방출 축에 대해 편향되는 빔의 경로를 위한 슬롯(61, 62)이 제공되는, 2개의 시준기 - 시준기의 각각의 슬롯(61, 62)은 폭이 중심으로부터 둘레 쪽으로 증가하고, 제1 시준기(41)의 슬롯(61)은 빔(A0)의 방출 축의 일측 상에 배치되고, 제2 시준기(41)의 슬롯(62)은 빔(A0)의 축의 다른 측 상에 배치되고, 슬롯들의 개구들은 서로 반대 방향들로 배향됨 -
를 포함한다.
도면들에 예시된 예에서, 본 발명에 따른 디바이스의 편향 시스템들은 정전기 타입이고, 각각은 빔(A0)의 방출 축의 양측 상에 배열되는 2개의 평행판(7)으로 구성된다. 다양한 시스템들의 판들은 평행하며 축(A0)에 대해 등거리이다. 전위차(Ui)가 동일한 시스템의 2개의 판(7) 사이에 인가되는데(특히 도 3 참조), 이는 도 3에서 마크된 방향(X)으로 이 축(A0)의 일측 상에 그 원래 궤적(A0)으로부터 동일하게 편향시키는, 빔에 대한 편향력(F)을 구성한다.
자기 타입의 편향 시스템들도 사용될 수 있는데, 이는 변조가 높은 에너지 빔들에 적용가능하도록 하고, 인가되는 편향력은 자기 타입일 것이며, 이러한 대안적인 실시예는 전기 타입의 편향 시스템들에 대해 사용되는 것과 동일한 도면들을 이용하여 개략적으로 예시된다.
이 제1 예에서, 디바이스 출구에서 축(A0) 상에 다시 빔을 배치하기 위해, 제1 시스템 및 제4 시스템에 의해 인가되는 편향력들은 절댓값(2 U1)이 동일하고, 제2 시스템 및 제3 시스템에 의해 인가되는 힘들은 절댓값(2 U2)이 동일하다.
추가로, 전압들(U1 및 U2)은, 이 제1 예에 따르면, 후속하는 수학식에 의해 한정된다:
3U1=U2.
1) 대전 입자 빔이 제1 편향 시스템(21)을 통과할 때, 그것은 이 제1 시스템(U1/-U1)에 의해 가해지는 편향력(F)에 의해 축의 일측(도 2의 축(X)의 양의 측) 상에 편향된다.
이러한 편향은 빔이 그 경로에서 마주치는 제1 시준기(41)의 슬롯(61)의 높이에 빔을 가져온다.
이 제1 시준기(4i)는, 도 2에 따르면, 예시된 예에서 원형 판의 형상을 가지지만, 물론 다른 형상들을 가질 수 있으며, 이는 시준기가 빔의 방출 축(A0)에 직교로 장착되고 일반적으로 V-형상의 슬롯이 제공될 때, 빔의 방출 축(A0)과 일치하는 중심(C)을 정의하며, 그 포인트는 중심(C) 위로 거리(d)만큼 시프트되고, 따라서 방출 축(A0)이 편향력의 방향으로 시프트된다.
제1 시스템(21)에 의해 빔에 인가되는 편향력(F1)에 따라, 후자는 방출 축(A0)의 일측 상에서(위에서) 더 많이 또는 더 적게 편향될 것이며, 이러한 빔의 더 큰 또는 더 적은 섹션이 슬롯을 통과할 것이고, 나머지는 제1 시준기(41)의 판에 의해 차단된다.
2) 제1 시준기(41)에서 나오는 편향된 빔의 일부분은 이후 제1 시스템의 방향과 반대 방향으로 편향력(F2)의 자리(-U2/U2)인, 그리고 방출 축(A0)의 다른 측(아래) 상에 이러한 빔 부분을 편향시키기 위해 후자보다 더 큰 진폭을 가지는 제2 편향 시스템(22)에서 개방된다.
3) 축(X)의 음의 측 상의 빔 부분은 제2 시스템(U2/-U2)의 방향과 반대 방향으로 편향력(F3)의 자리인, 그리고 축(A0)에 가까운 축(X)의 다른 측 쪽으로(음의 측 상에 유지되는 동안 양의 측으로) 빔 부분을 편향시키기 위한 동일한 또는 등가의 진폭을 가지는 제3 편향 시스템(23)에서 개방된다.
이러한 빔 부분은, 제3 편향 시스템(23)의 출구에서, 그 개구가 제1 시준기의 배향과 반대로(즉, 예시된 예에서는, 축(X)의 음의 측 쪽으로) 배향되는 V-형상의 슬롯(62)이 제공되는 제2 시준기(42)와 마주쳐서, 이전 시스템들의 편향력들에 따라 더 많거나 더 적은 입자들이 통과되도록 한다.
4) 마지막 편향 시스템(24)은 초기 방출 축(A0) 내의 2개 슬롯(61, 62)을 통해 "트리밍된(trimmed)" 빔을 정확하게 되가져오는 편향력(F4)의 자리(-U1/U1)이다. 그 방향은 더 적은 진폭을 가지는 이전 편향 시스템에 의해 가해지는 힘과는 반대이다.
도 3에 따르면, 편향 시스템들 각각에 의해 인가되는 전위들(또는 인가된 빔 편향력)의 변경은, 디바이스 출구에서의 빔의 강도가 달라질 수 있게 한다:
- 도 3(a)의 예에서, 각각의 시준기 상의 빔의 도착 지점 때문에 모든 입자들이 정지된다(제1 슬롯(61)을 통과한 빔 부분은 제2 슬롯(62)을 지나가지는 않지만 그것이 제2 슬롯 위에서 시준기에 도달하기 때문에 시준기(42)에 의해 차단된다).
- 도 3(c)의 예에서, 거의 모든 입자들이 디바이스를 지나간다(실질적으로 모든 입자들이 제1 슬롯을 지나가고, 제1 시준기를 빠져나오는 거의 모든 빔 부분이 제2 슬롯을 지나간다).
- 도 3(b) 및 3(d)의 예들은 상황들(3(a) 및 3(c)) 사이의 중간 상황들을 예시한다.
도 4에 따르면, 소스에 의해 방출되는 빔의 0 내지 96% 사이의 대전 입자 빔의 강도의 변경은, 예시된 예에서 비율 3U1=U2로, 강도(U2)를 변경함으로써 디바이스 출구에서 획득될 수 있다.
전압 변경
제2 가능한 실시예에 따르면, 4개의 연속적 편향 시스템에 의해 인가되는 편향력들은 2 x 2로 구별된다: 제1 시스템에 대해 2U1, 제2 시스템에 대해 2U2, 제3 시스템에 대해 2U3 및 제4 시스템에 대해 2U4가 있으며, 각각의 시스템에 대해, 절댓값이 같으며 반대 방향들을 갖는 전위들보다 더 작거나 더 큰 2개의 판을 갖는다.
예를 들어, 전압들(Ul, U2, U3, U4)은 다음 관계식들에 의해 한정될 수 있다:
Figure pct00001
U 는 볼트 단위인, 배플(baffle)의 전압 파라미터,
k 는 2개의 외부 판(21, 24) 사이에 인가되는 전압과 2개의 내부 판(22, 23) 사이에 인가되는 전압 사이의 양의 비를 나타내는 무차원 계수,
U1a, U2a, U3a, U4a, U1b, U2b, U3b, U4b, B, D 는 볼트 단위인, 정정 인자들.
계수 k=3을 가지면, 빔은 시프트 또는 편향 없이 배플을 빠져나가야 한다. 이러한 목적으로, U1a, U2a, U2a, U2a는 각각 1과 같게 설정되고, U1b, U2b, U3b, U4b, B, D는 0으로 설정된다.
강도 변조는 전술된 바와 같이 V-형상의 슬롯들을 가지는 시준기들에 의한 빔의 부분적 차단에 의해 획득된다. 차단의 진폭은, 고려되는 배플(21)의 전압에 그 자체가 따르는, 편향에 의존한다. 정정 인자들(U1a, U2a, U3a, U4a, U1b, U2b, U3b, U4b, B, D)은 동일한 전압 파라미터(U)에 대해 동일하다. 예를 들어, 이들 정정 인자들은:
k는 2.5 내지 3.5 사이; U1a, U2a, U3a 및 U4a는 0 내지 2 사이; U1b, U2b, U3b 및 U4b는 -1,000V 내지 +1,000V 사이 그리고 B, D는 0 내지 2 사이로
설정될 수 있다.
슬롯들의 형상의 변경
슬롯들의 형상들은 또한 변조 거동(modulation behavior)을 변경하기 위해(예를 들어, 낮은 전류에 대해 더 정확하게 변조를 수행함으로써) 변경될 수 있다. 따라서, 슬롯들의 반대 측들은 직선이거나 아닐 수 있고, 시준기의 솔리드(solid) 부분 쪽으로 돔을 이루는 또는 반대로 슬롯의 빈 공간 쪽으로 돔을 이루는 곡선들일 수 있다. 각각의 시준기의 슬롯은 편향 시스템들이 파워링되지 않을 때 출력 빔을 절단하도록 중심(C)에 대해 오프셋되도록 제공된다.
예를 들어, 그것은 다음과 같이 슬롯들에 대해 제공될 수 있다:
→ 낮은 강도들에 대한 더 큰 감도에 대해
○ 2 ㎂ 내지 200 ㎂의 범위로, 2%의 정확성을 가지고:
○ 낮은 강도들에 대해 곡선의 낮은 편향을 갖기 위해, 이는 중심에서 거의 방사형 기울기와 둘레 쪽으로 증가하는 개구를 가지는 나팔형 슬롯 프로파일을 초래함,
○ 또는 강도를 제한하기 위해 둘레 쪽으로의 슬롯의 폐쇄
○ 또는 판들에 인가되는 전위의 부재시라도 최소의 강도를 보장하기 위해, 중심 아래의 오프셋.
변조 디바이스는 편향 시스템들에 의해 가해지는 편향력에 대해 작용하는 제어 루프에 의해 전류의 미세한 조정을 수행하기 위해 마지막 편향 시스템의 다운스트림에 위치되는 (패러데이 케이지(Faraday cage)의 또는 무교차(not intersective) 측정 타입의) 전류 측정 시스템에 결합될 수 있다.
동일한 편향 시스템의 편향판들에 인가되는 전위들은 도 5(a)에 대한 파워 서플라이들의 개수(도 6a에서 볼 수 있는 수집되는 빔 강도)를 제한하기 위해 대칭적일 수 있다.
그렇지 않은 경우, 동일한 시스템의 2개의 판을 사용하면, 비-대칭적 전위들(도 5(b)는: 시스템들(22 및 23)의 전위들이 가능하고, 그것의 2개의 판은 각각 절댓값이 3,500V 및 6,500V에서 높다)에서, 이는 출구에서 더 양호한 빔 특성들을 가능하게 하고, 이후 주어진 영역 내에 완전히 피팅된다(방출 및 수차들의 제한, 도 6b 참조).
축(A0)에 대한 입사 빔의 편향의 경우
빔이 축(A0)에 대해 각도(α(U))로 배플의 구조를 빠져나가는 것을 수반하는, 빔에 대한 입사각, 기계적 구조의 오정렬, 또는 필드 비대칭성이 존재하는 경우, 대안적인 실시예가 요구된다. 빔의 출구 각(α(U))은 배플의 파라미터(U)의 함수일 수 있고 따라서 일정하지 않을 수 있다.
본 발명은 배플에 인가되는 전압의 대칭성을 깸으로써 이 편향각을 즉각적으로 수정하는 것을 가능하게 한다. 이는 상이한 전압들(Ul, U2, U3, 또는 U4)을 가지는 2개 이상의 판을 접지시킴으로써 그리고 대응하는 정정 인자(Ulb, U2b, U3b, 또는 U4b)를 각자 변경시킴으로써 가능해진다.
배플의 수정된 구성에서, 각각의 전압(Ul, U2, U3, 및 U4)은 적어도 하나의 판에 인가된 채 유지되어야 한다.
정정 인자의 값들은 배플의 파라미터(U)의 각각의 설정된 포인트에 대해 실험적으로 결정될 수 있다.
수정된 배플에 의한 강도의 변조는 따라서 I(U, Uib)로 기재되며, 여기서 Uib는 판들 중 하나가 접지된 대응하는 전압들(Ui)의 정정 인자들을 보여주며, i=1,2,3,4이다.
대안적인 실시예로서, 출구 각은 하나 이상의 판(들)을 접지시키는 대신에, 추가적인 개별 조정가능한 전압들을 하나 이상의 판(들)에 인가함으로써 정정될 수 있다.
배플의 이 실시예에 대한 공식들
판들 중 하나를 접지시키는 것은 배플을 통하도록 빔을 지향시키기 위해 반대 판의 전압을 두배로 높이는 것(doubling)을 요구한다. 배플에 대한 종래의 공식들은 다음과 같이 수정될 수 있다:
상부 판(24) 또는 하부 판(21)이 접지되는 경우, Ul'=2*U1.
상부 판(23) 또는 하부 판(22)이 접지되는 경우, U2'=2*U2.
상부 판(22) 또는 하부 판(23)이 접지되는 경우, U3'=2*U3.
상부 판(21) 또는 하부 판(24)이 접지되는 경우, U4'=2*U4.
수정된 배플의 가능한 실제 실시예들 중 하나는 상부 판들(21 및 24)을 접지시키고 전압들(Ul 및 U4)을 두배로 높이는 것이다. 배플에 의해 유입되는 방향은 배플 파라미터(U:U1b (U))에 따라 U1b을 수정함으로써 정정될 수 있다. 이 경우, 수정된 배플에 의한 강도의 변조는 I(U, U1b (U))로 정의된다.
예를 들어, 이 실시예에 대해 그리고 본원의 특정 구조를 이용하여, 후속하는 파라미터들(U1a=2, U2a=l, U3a=l, U4a=2, B=D=0, k=2.7은 상수임)은 1㎂ 내지 300㎂의 범위 내의 일부 측정된 강도들에 대해 발견된다:
Figure pct00002
이 값들을 이용하여, 빔의 중심은 측정 면의 위치에서 빔 축 상에서 발견되었다.
중단 없이 전체 구간을 커버하기 위해, 정정 인자와 배플의 전압 사이의 관계(U1b(U))를 찾아야 한다. 일반적으로, 모든 관계(Uib(U))를, i=1,2,3,4와 함께 발견되어야 한다.
배플 및 정정 인자들의 파라미터들이 보편적인 값들을 가지지 않으며, 다른 설비들에 대해서는 상이할 수 있다는 것에 유의해야 한다.
하부 판들을 접지시키는 것은 동일한 결과를 준다.
전압들은 또한 역순으로 인가될 수 있고, 시준기의 방향 및 인가되는 전압들의 부호 역시 역전될 수 있다. 수정된 배플에 대한 공식들은 변경 없이 유지된다.
8개의 편향 시스템의 경우
또한, 본 발명에 따른 디바이스는 전술된 바와 같은 4개의 편향 시스템의 추가적인 세트를 포함할 수 있는데, 이는 도 2에 개략적으로 도시된 방향(Y)으로 입자들의 강도를 변조시킬 것이다. 이러한 편향 시스템들의 판들은 이후 편향 시스템들의 제1 세트의 판들에 직교할 것이다.
디바이스의 가능한 디멘젼들:
80cm 길이; 15cm x 10cm 판; 판들 사이의 8cm의 거리; 2개의 연속적인 판들 사이의 3-4cm의 거리; 슬롯의 측면 4cm; 개구 각 60°
가능한 응용예들:
양자선 치료, 안드론 치료(adron therapy): 예를 들어 종양의 각각의 복셀의 제어된 조사를 위해.
더 구체적으로, 본 발명은 특히, 양성자 빔들을 가속시키기 위한 선형 가속기들을 사용하여, 그리고 특히 펄스화된 양성자 빔을 사용하여, 양자선 치료에서 응용예를 찾는데, 여기서 본 발명은 방사선 치료 처치를 위한 양성자 빔의 강도를 변조시키거나 변경하기 위해 사용될 수 있다.
이온 주입: 스캐닝에 따라, 국부적으로 주입되는 선량(dose)의 변조
분광 분석: 검출기의 포화의 방지
마이크로-에칭: 스캐닝 동안 에칭의 국부적 효능의 변조

Claims (13)

  1. 축(A0)을 따라 방출되는 대전 입자 빔의 강도를 변조시키기 위한 디바이스로서,
    Figure pct00003
    4 x N개의 연속적 편향 시스템(21, 22, 23, 24) - N = 1 또는 2이고, 상기 편향 시스템들(21, 22, 23, 24)은 상기 입자 빔의 축(A0)을 따라 위치되고, 동일한 방향으로 상기 축(A0)에 대해 상기 빔을 편향시킬 수 있고, 2개의 연속적 시스템들(21, 22, 23, 24)에 대해, 교번하는 편향 방향들을 가짐 -,
    Figure pct00004
    각각의 편향 시스템(21, 22, 23, 24)에 대해 상기 빔을 편향시키기 위한 힘을 인가하고 상기 인가된 힘을 변경시키기 위한 수단,
    Figure pct00005
    2개의 시준기(41, 42) - 시준기들 각각은 중심으로부터 둘레 쪽으로 폭이 증가하는 개구를 갖는 슬롯(61, 62)을 가지고, 제1 편향 시스템과 제2 편향 시스템 사이에 그리고 제3 편향 시스템과 제4 편향 시스템 사이에 각자 위치됨 -
    를 포함하고, 제1 시준기(41)의 슬롯(61)의 개구는 상기 빔의 방출 축(A0)의 일측 쪽을 향하고, 제2 시준기(41)의 슬롯(62)의 개구는 상기 빔의 방출 축(A0)의 반대 측 쪽을 향하는 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 편향 시스템들(21, 22, 23, 24) 각각은 전기 타입 또는 자기 타입인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 편향 시스템들(21, 22, 23, 24)이 전기 타입일 때, 각각의 시스템(21, 22, 23, 24)은 방출 축(A0)의 양측 상에 각자 배열되는, 전위를 갖게 되는 2개의 평행 판(7)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 편향 시스템들(21, 22, 23, 24)이 자기 타입일 때, 상기 편향 시스템들 각각은 자기 쌍극자로 구성되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    시준기(41, 42)의 상기 슬롯(61, 62)은 상기 시준기(41, 42)의 나머지 부분 쪽으로 돔을 이루는(domed) 직선 또는 곡선의 대향 에지들을 가지는 또는 상기 에지들에 의해 정의되는 빈 공간 쪽으로 돔을 이루는 직선 또는 곡선의 대향 에지들을 가지는 일반적인 V-형상을 갖는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 시준기(41, 42)가 상기 축을 따라 배치되어, 상기 시준기의 슬롯(61, 62)은 상기 방출 축(A0)의 일측 상에 위치되는 반면 거리(d)만큼 상기 축(A0)에 대해 오프셋되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 시준기(41, 42)가 상기 축을 따라 배치되어, 상기 시준기의 슬롯(61, 62)은 상기 방출 축(A0)과 일직선으로 위치되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스가 8개의 편향 시스템(21, 22, 23, 24)을 포함할 때, 이들 시스템 중 4개는 제1 방향으로 상기 축을 편향시키도록 상기 방출 축에 대해 배열되고, 이들 시스템(21, 22, 23, 24) 중 4개는 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 상기 축을 편향시키도록 상기 방출 축에 대해 배열되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 디바이스를 이용하여, 축(A0)을 따라 방출되는 대전 입자 빔을 그 방출 축으로부터 편향시키기 위한 방법으로서,
    4N 개의 연속적 편향 시스템에 대해:
    - 제1 편향 시스템(21)에 의해, 주어진 방향으로 그리고 제1 배향으로 상기 빔을 편향시키기 위한 제1 힘,
    - 제2 편향 시스템(22)에 의해, 동일한 방향으로 그리고 상기 제1 배향에 반대 배향으로 상기 빔을 편향시키기 위한, 상기 제1 힘보다 더 큰 제2 힘,
    - 제3 편향 시스템(23)에 의해, 동일한 방향으로 그리고 편향의 상기 제1 배향으로 상기 빔을 편향시키기 위한 상기 제2 힘,
    - 제4 편향 시스템(24)에 의해, 동일한 방향으로 그리고 상기 제1 배향에 반대 배향으로의 제1 편향력
    의 인가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 편향 시스템들(21, 22, 23, 24)은 전기 타입이고, 각각은 상기 축(A0)에 평행하고 상기 축(A0)의 양측 상에 배열되는 2개의 판(7)을 포함하고, 동일한 시스템의 상기 2개의 판에 인가되는 전위들은 대칭적이거나 비대칭적인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    각각의 편향 시스템은 상기 축(A0)의 양측 상에 배열되는 2개의 판들로 구성되고, 상이한 편향 시스템들의 2개 이상의 판은 접지되고, 상기 판들의 편향 시스템들의 빔들을 편향시키는 힘들은 상이하고, 정정 인자들(Uib)은 편향 시스템 상에 가해지는 각각의 편향력들에 적용되고, 그 중 하나의 판은 상기 빔의 출구 각을 정정하기 위해 접지에 접속되는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    추가적인 조정가능한 편향력들은 상기 빔의 출구 각을 정정하기 위해 하나 이상의 편향 시스템(들)에 인가되는 방법.
  13. 조정가능한 강도의 대전 입자 빔을 방출하기 위한 어셈블리로서,
    상기 빔의 방출 축(A0)을 따라 연이어서:
    - 방출 축(A0)을 중심으로 두고, 바람직하게는 ECR 타입의 대전 입자 빔의 방출의 소스
    - 추출 시스템
    - 아인젤(Einzel) 타입의 렌즈
    - 원형 중심 홀을 갖는 시준기
    - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 디바이스
    - 원형 중심 홀을 갖는 제2 시준기
    - 상기 제2 시준기의 출구에서 상기 입자들을 속도-필터링하는 디바이스
    를 포함하는 어셈블리.
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